基于WiFi 技術(shù)的煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

董曉亮

（陽(yáng)煤集團(tuán)礦山救護(hù)大隊(duì)，山西 陽(yáng)泉 045008）

引言

我國(guó)煤礦資源相對(duì)比較豐富，煤礦企業(yè)的數(shù)量以及煤礦開采產(chǎn)量也較大，但是由于我國(guó)煤礦分布、煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，開采難度較大，井下環(huán)境惡劣，礦井事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重制約了煤礦開采行業(yè)的發(fā)展。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的煤礦井下安全監(jiān)控技術(shù)取得了較大的進(jìn)步，相較于早期的安全監(jiān)控技術(shù)，目前煤礦井下安全監(jiān)控技術(shù)主要發(fā)展方向包括高精度傳感器、系統(tǒng)在線自動(dòng)調(diào)校設(shè)備、分站式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)應(yīng)用、采用TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信技術(shù)[1]?；诂F(xiàn)有的某礦業(yè)公司井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造，設(shè)計(jì)了基于WiFi 技術(shù)的安全監(jiān)控分站系統(tǒng)。

1 WiFi無(wú)線通信技術(shù)

WiFi 無(wú)線通信技術(shù)又被稱作“相容性無(wú)線傳輸技術(shù)”，WiFi 技術(shù)具有較好的兼容性，其協(xié)議與執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為WECA 發(fā)布的，后期對(duì)系統(tǒng)的更新升級(jí)較為方便。每個(gè)WiFi 網(wǎng)絡(luò)通常都包括一個(gè)或多個(gè)客戶端，傳輸速率快，滿足了用戶的實(shí)際使用需求。

WiFi無(wú)線通信技術(shù)與其他的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)相比具有以下特點(diǎn)：

1）WiFi通信安裝的設(shè)備簡(jiǎn)單，減少了線路的鋪設(shè)，極大地降低了系統(tǒng)成本，同時(shí)為系統(tǒng)后期的維護(hù)、使用、維修提供了較大的便利性。

2）WiFi網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，可方便移動(dòng)，同時(shí)非常便于后期對(duì)通信系統(tǒng)的擴(kuò)展、擴(kuò)容。

3）WiFi無(wú)線通信技術(shù)傳輸速率較快，傳遞的信息準(zhǔn)確，在WiFi網(wǎng)絡(luò)無(wú)線信號(hào)可覆蓋的區(qū)域內(nèi)，任何位置均可獲得網(wǎng)絡(luò)的接入，對(duì)保障設(shè)備的通信具有重要意義。

4）經(jīng)濟(jì)性好，WiFi技術(shù)可根據(jù)用戶實(shí)際需求進(jìn)行規(guī)劃調(diào)整，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)迅速擴(kuò)展。WiFi通信技術(shù)可以結(jié)合現(xiàn)有寬帶，高效進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署搭建，后期使用成本也降低許多[2]。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需結(jié)合實(shí)際煤礦巷道的分布情況來(lái)布置，WiFi無(wú)線通信技術(shù)解決了井下巷道中有些區(qū)域信號(hào)傳輸受限的問(wèn)題。監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上可以分為遠(yuǎn)程監(jiān)控層、分析控制層以及數(shù)據(jù)處理分析層、數(shù)據(jù)采集層、中間傳輸層等組成。如圖1 所示，為安全監(jiān)控系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)方案[3]。

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

各層硬件之間通過(guò)WiFi 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的交互，由于WiFi 通信技術(shù)可擴(kuò)展性強(qiáng)，信號(hào)傳輸能力強(qiáng)，因此安全監(jiān)控系統(tǒng)具有高效和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。井下環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)可以檢測(cè)井下空氣中的瓦斯、一氧化碳、甲烷等有毒有害氣體，具備24 h 不間斷監(jiān)控預(yù)警功能，為井下安全提供了有效的信息保障，下面對(duì)系統(tǒng)各個(gè)分層做簡(jiǎn)要介紹。

2.1.1 信號(hào)采集層

信號(hào)采集層是系統(tǒng)的終端數(shù)據(jù)采集層，裝備了瓦斯、一氧化碳等氣體傳感器；裝備有溫度、濕度、粉塵監(jiān)測(cè)傳感器。此類傳感器具有信號(hào)采集以及信號(hào)傳輸?shù)墓δ?，具備長(zhǎng)距離無(wú)線通信能力，可以與WiFi 路由器進(jìn)行連接，并將采集得到的信號(hào)傳輸給上級(jí)控制層。

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要是對(duì)所有傳感器所采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便調(diào)取和分析，在分析和處理故障時(shí)都需要對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行分析。

2.1.3 控制與分析層

控制與分析層主要是對(duì)傳感器所采集的信號(hào)進(jìn)行分析，得出關(guān)鍵信息，并向地面控制主機(jī)反饋；可傳達(dá)控制命令，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行控制，從而有效控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.1.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控區(qū)

遠(yuǎn)程監(jiān)控區(qū)主要是對(duì)各子系統(tǒng)的信息的集成，是人工監(jiān)控與控制的平臺(tái)，也是監(jiān)控系統(tǒng)的核心所在，可以方便地進(jìn)行信號(hào)的顯示與處理[4]。

2.2 系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求以及煤礦巷道的分布情況，選擇性能適宜的硬件設(shè)備對(duì)提高監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，下面對(duì)該系統(tǒng)中所涉及到的一般性硬件指標(biāo)總結(jié)如下：

1）傳感器信號(hào)傳輸能力要求：信號(hào)傳輸?shù)念l率要求在50 Hz 到2 000 Hz 之間，額定工作電壓信息在2 mV 到80 mV 之間，要求傳感器采集信號(hào)誤差不得大于0.5%。

2）數(shù)據(jù)傳輸能力：要求實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s 的工業(yè)級(jí)信號(hào)傳輸能力，所有硬件端口均以TCP 協(xié)議進(jìn)行傳輸。

3）設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性：要求各硬件設(shè)備應(yīng)具有在-10～70 ℃環(huán)境下工作的能力，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)要求空氣的相對(duì)濕度不得大于94%。

4）系統(tǒng)具有較好的兼容性，具有16 路輸入與16 路輸出端口，方便后期對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行擴(kuò)展[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的重要組成部分，是有效獲取監(jiān)控信息的基礎(chǔ)，由于軟件所涉及到的相關(guān)程序語(yǔ)言的編輯較為復(fù)雜，在此僅對(duì)軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)以及初步需要實(shí)現(xiàn)的功能做簡(jiǎn)要介紹，軟件的實(shí)現(xiàn)與第三方合作完成，操作系統(tǒng)采用基于Visual Studio C# 可編程語(yǔ)言完成，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用SQL Server。其他的子系統(tǒng)軟件可直接采用不同廠家開發(fā)的產(chǎn)品，在此不再一一贅述。

圖2 為安全監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)示意圖，操作系統(tǒng)層面主要集成了對(duì)信號(hào)與數(shù)據(jù)的查詢搜索等功能，然后在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層主要是對(duì)數(shù)據(jù)的處理。軟件系統(tǒng)同時(shí)集成了用戶數(shù)據(jù)查詢、對(duì)硬件設(shè)備的管理等操作[6]。

圖2 安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

對(duì)軟件的功能設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要介紹：

1）支持對(duì)用戶權(quán)限設(shè)置、具有后臺(tái)數(shù)據(jù)管理能力，可記錄登錄情況，確保使用過(guò)程中的安全性。

2）系統(tǒng)信息的記錄、查詢、分析等能力，尤其是對(duì)井下傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行危險(xiǎn)度識(shí)別，當(dāng)所采集信號(hào)大于安全閾值，系統(tǒng)可自動(dòng)報(bào)警并對(duì)相關(guān)硬件設(shè)備進(jìn)行控制，從而對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行有效地控制。

3）軟件系統(tǒng)具備常見的數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)功能，圖像顯示等功能方便管理人員了解井下環(huán)境參數(shù)的分布規(guī)律。

4 安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及重要硬件的選型做簡(jiǎn)要介紹，根據(jù)其功能的不同，對(duì)系統(tǒng)中部分硬件等做如下介紹。

4.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器

煤礦井下的有毒有害氣體主要是瓦斯，瓦斯主要組成氣體為甲烷、烴類、二氧化碳等氣體，無(wú)色、無(wú)味、難溶于水，且具有易燃、易爆的特點(diǎn)。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求，選擇了長(zhǎng)英科技有限公司研發(fā)的STM-LIN 型空氣安全傳感器，該傳感器具有精度高，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)可監(jiān)測(cè)甲烷、CO、CO2等氣體。傳感器測(cè)量誤差為±4×10-6；顯示方式為12位LED，傳感器如下頁(yè)圖3 所示。

4.2 中央處理器

監(jiān)控系統(tǒng)的核心是中央處理器，信息交互采用工業(yè)以太網(wǎng)，選了西門子360-SPN/DG 型中央處理器，處理器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大可實(shí)現(xiàn)32 模塊的擴(kuò)展，具有處理能力強(qiáng)、擴(kuò)展適應(yīng)性好、功能全面等優(yōu)點(diǎn)。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸站

數(shù)據(jù)采集分站可以連續(xù)監(jiān)測(cè)礦井的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，本系統(tǒng)選擇了MDC4200/62B 礦用隔爆型數(shù)據(jù)傳輸站（見下頁(yè)圖4），可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸分站與地面中心站之間信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，該傳輸器結(jié)構(gòu)安全可靠，被廣泛應(yīng)用煤礦開采環(huán)境。

圖3 空氣安全傳感器

5 安全監(jiān)控系統(tǒng)功能測(cè)試

系統(tǒng)搭建完成后對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行了測(cè)試，包括瓦斯氣體濃度的監(jiān)測(cè)能力、數(shù)據(jù)分析能力、數(shù)據(jù)記錄能力等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下環(huán)境中甲烷、CO、CO2等氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，軟件系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)記錄、查詢功能。詳細(xì)記錄了井下環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，并可以將其繪制為歷史曲線，方便分析與查閱。在為期半年的系統(tǒng)測(cè)試中，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)正常，具備實(shí)際應(yīng)用能力，為煤礦企業(yè)提供了安全保障。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸站